一种镁合金定向凝固晶或单晶的增材制造方法

本发明涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种镁合金定向凝固晶或单晶的增材制造方法。

背景技术：

镁合金因其密度低、比强度高、课生物降解等优点，逐渐发展成当代重要的轻质结构材料，在汽车、航空航天、生物医疗等领域具有重要的应用价值。但由于大多数镁合金在室温下属于密排六方(hcp)结构，室温下塑性变形局限于{0002}<11-20>基面滑移及{10-12}<10-11>孪生，导致其塑性变形能力较差，利用镁合金定向凝固晶或单晶开展变形行为研究对于揭示其变形机制，进而改善其加工性能具有重要价值。

目前，针对镁合金定向凝固晶或单晶的制备方法大多以铸造的方式，其存在周期长、需要制作模壳以及存在模壳污染的问题。而作为一种快速制造技术，增材制造技术在制备镁合金定向凝固晶或单晶的领域却鲜有提及。镁合金增材制造相关研究主要针对选择性激光熔化(slm)技术，而镁合金对激光具有较高的反射性，导致使用激光作为热源的增材制造方式能量利用率低，并且由于镁合金粉末的制备成本较高、易燃易爆等缺点，导致使用slm技术制备镁合金较为困难。

技术实现要素：

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种可以快速自由成形具有定向生长的柱状晶或单晶组织特征的镁合金，同时，避免镁合金在增材制造过程中可能发生的燃烧现象的镁合金定向凝固晶或单晶的增材制造方法。

一种镁合金定向凝固晶或单晶的增材制造方法，其包括以下步骤：

s1、设计镁合金定向凝固晶或单晶的三维实体模型；

s2、将所述镁合金定向凝固晶或单晶的三维实体模型进行切片后，导入电子束熔丝增材制造设备的控制系统中；

s3、准备镁合金丝材、镁合金单晶籽晶和镁合金基板，

s4、将镁合金单晶籽晶固定在镁合金基板上，镁合金基板设置在真空工作腔内；

s5、设置增材制造的工艺参数；

s6、调整电子束发射单元中电子束流的焦点位置，确保镁合金单晶籽晶上半部分熔化，并与所述镁合金丝材结合形成镁合金定向凝固晶；

s7、完成镁合金定向凝固晶或单晶的制造，在此过程中，循环水冷单元中冷却液对镁合金基板进行降温。

在其中一个实施例中，所述步骤s7之后还包括步骤：

s8、将镁合金定向凝固晶或单晶进行切割，得到镁合金单晶大籽晶；

s9、所述镁合金单晶大籽晶作为籽晶，按照实际形状需求排列，并焊接在所述镁合金基板上，重新设计实体模型，重复步骤s5-s7，完成大尺寸所述镁合金定向凝固晶或单晶的增材制造。

在其中一个实施例中，所述步骤s5中，所述增材制造的工艺参数包括：包括电子束功率、送丝速率、基板移动速率、打印层厚、层间停留时间。

在其中一个实施例中，所述步骤s7中，镁合金定向凝固晶或单晶的制造步骤包括：

对真空工作腔进行抽真空，开启电子束熔丝增材制造设备以及循环水冷单元，将镁合金丝材送入至电子束流的焦点，所述镁合金单晶籽晶上半部分及所述镁合金丝材熔化并结合，熔化后的所述镁合金丝材在所述镁合金单晶籽晶上通过外延生长的方式定向凝固生长，同时，所述电子束熔丝增材制造设备按照预定形状将所述镁合金丝材逐层堆积，完成所述镁合金定向凝固晶或单晶的制造。

上述镁合金定向凝固晶或单晶的增材制造方法，其优点在于：

1)、制备镁合金定向凝固晶或单晶过程不需要模具，可自由成形，同时可大幅度缩短镁合金定向凝固晶或单晶制造周期，降低生产成本、提高材料利用率；

2)、使用电子束流将镁合金丝材快速熔化、凝固，可在镁合金固液界面产生较高的温度梯度，有利于镁合金晶体的定向生长，从而制备出定向生长的柱状晶或单晶；

3)、在真空环境下进行镁合金定向凝固晶或单晶构件的制备，可有效防止镁合金被气体污染，同时有效解决了镁合金易燃易爆的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的镁合金定向凝固晶或单晶的增材制造装置的结构示意图；

图2是本发明的镁合金单晶大籽晶的结构示意图；

图3是本发明的大规模镁合金定向凝固晶或单晶增材制造的示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

参阅图1-2所示，本发明一实施例提供一种镁合金定向凝固晶或单晶的增材制造方法，其使用电子束熔丝增材制造设备2实施，该设备包括：真空工作腔1、电子束发射单元2、镁合金丝材3、电子束流4、镁合金定向凝固晶或单晶5、镁合金单晶籽晶6和镁合金基板7。

真空工作腔1能提供真空的环境，从而可有效防止镁合金被气体污染，同时有效解决了镁合金易燃易爆的问题。

电子束发射单元2设置在所述真空工作腔1内，所述电子束发射单元2能够送出镁合金丝材3，且所述电子束发射单元2能够发出电子束流4，所述电子束流4能够熔化镁合金丝材3；本实施例中，制造过程处于真空环境下，电子束流4能全方位环绕在镁合金丝材3的周围，如此，能提高镁合金丝材3熔化的均匀度；并且，所述电子束流4的热源功率根据镁合金丝材3设置，并尽可能提供较大的温度梯度，如此，有利于晶粒的定向生张。同时，设置合适的镁合金丝材3送丝速度和镁合金基板7移动速度，并尽可能减少侧向散热的温度梯度，避免晶粒取向的改变。优选的，根据所述电子束流4的热源功率，可设置合适的层间停留时间，并尽可能提供较大的温度梯度。

镁合金基板7设置在所述真空工作腔1内，所述镁合金基板7上固定有镁合金单晶籽晶6，所述镁合金单晶籽晶6与熔化后所述镁合金丝材3结合形成镁合金定向凝固晶或单晶5。本实施例中，所述镁合金单晶籽晶6与所述镁合金基板7通过焊接方式连接。

可选地，所述电子束发射单元2中，所述镁合金丝材3垂直镁合金基板7设置。如此，可方便熔化后的镁合金丝材3准确地结合到镁合金单晶籽晶6上，从而提高镁合金定向凝固晶或单晶5形状的制造精度。

在本发明一实施例中，电子束增材制造设备还包括循环水冷单元8，所述循环水冷单元8能够对所述镁合金基板7进行降温。通过循环水冷单元8的冷却液将镁合金基板7底部冷却，保证定向的热流方向，从而可以保证所述镁合金基板7与镁合金定向凝固晶或单晶5之间的温度梯度。

本发明一实施例提供一种镁合金定向凝固晶或单晶的增材制造方法，其包括以下步骤：

s1、设计镁合金定向凝固晶或单晶5的三维实体模型；

s2、将所述镁合金定向凝固晶或单晶5的三维实体模型进行切片后，导入电子束熔丝增材制造设备2的控制系统中；

s3、准备镁合金丝材3、镁合金单晶籽晶6和镁合金基板7；

s4、将镁合金单晶籽晶6固定在镁合金基板7上；例如：将选取所需取向的所述镁合金单晶籽晶6焊接在所述镁合金基板7中心，镁合金基板7设置在所述真空工作腔1内；

s5、设计增材制造的工艺参数；本实施例中，所述增材制造的工艺参数包括：包括电子束功率、送丝速率、基板移动速率、打印层厚、层间停留时间等，如此，以确保提供最佳的温度梯度和凝固速度匹配；

s6、调整电子束发射单元2中电子束流4的焦点位置，确保镁合金单晶籽晶6上半部分熔化，并与所述镁合金丝材3结合形成镁合金定向凝固晶5；

s7、完成镁合金定向凝固晶或单晶5或镁合金单晶的制造，具体地，对真空工作腔1进行抽真空，开启电子束发射单元2以及循环水冷单元8，将镁合金丝材3送入至电子束流4的焦点，所述镁合金单晶籽晶6上半部分及所述镁合金丝材3熔化并结合，熔化后的所述镁合金丝材3在所述镁合金单晶籽晶6上通过外延生长的方式定向凝固生长，同时，所述电子束发射单元2按照预定形状将所述镁合金丝材3逐层堆积，完成所述镁合金定向凝固晶或单晶5的制造。在此过程中，所述循环水冷单元8中冷却液自底部流入，从顶部流出，循环的冷却液将所述镁合金基板7降温，以确保镁合金定向凝固的温度梯度。

参阅图3所示，在本发明一实施例中，所述步骤s7之后还包括步骤：

s8、将镁合金定向凝固晶或单晶5进行切割，得到镁合金单晶大籽晶9；

s9、所述镁合金单晶大籽晶9作为籽晶，按照实际形状需求排列，并焊接在所述镁合金基板7上，重新设计实体模型，重复步骤s5-s7，完成大尺寸所述镁合金定向凝固晶或单晶5的增材制造。

综上所述，本发明的优点在于：

1)、所制备的镁合金定向凝固晶或单晶过程不需要模具，可自由成形，同时可大幅度缩短镁合金定向凝固晶或单晶制造周期，降低生产成本、提高材料利用率；

2)、使用电子束流将镁合金丝材快速熔化、凝固，可在镁合金固液界面产生较高的温度梯度，有利于镁合金晶体的定向生长，从而制备出定向生长的柱状晶或单晶；

3)、在真空环境下进行镁合金定向凝固晶或单晶构件的制备，可有效防止镁合金被气体污染，同时有效解决了镁合金易燃易爆的问题。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。